MOSFETとは：動作原理・構造・応用例

2022年9月20日 2023年4月28日

semi-journal

MOSFETの構造

下図はnチャネル型MOSFETの構造です。

MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)は、半導体集積回路(LSI)で一般的に使用されているトランジスタ構造です。

Si基板上に薄い酸化膜を介して金属電極を設けたMOSキャパシタの両側に、キャリアの供給源となるソース(S)領域とドレイン(D)領域が設けられています。ソースおよびドレイン領域は抵抗率を下げるために、高濃度に不純物を添加(ドープ)してあります。

絶縁膜上に形成されたゲート(G)電極は、ソース・ドレイン間のコンダクタンス(電流の流れやすさ、電気抵抗の逆数)を制御するために設けてありゲート(G)と呼びます。

ゲート直下の電流が流れる領域をチャネルと呼び、チャネル内を電子が流れるものをnチャネル型、正孔が流れるものをpチャネル型と呼びます。

n型とp型の違いはチャネルを流れるキャリア(電子・正孔)の違いだけのため、ここではnチャネル型MOSFETを例に説明します。

ゲート電圧V_g<しきい値電圧V_tの場合

ゲート電圧がしきい値電圧(トランジスタをONするのに必要な電圧)以下の場合、ソース-ドレイン間はn⁺pn⁺構造となり、電流は流れません。

ゲート電圧V_g>しきい値電圧V_tの場合

ゲート電圧がしきい値電圧を超えると、半導体表面に少数キャリアの電子が引き寄せられ、ゲート直下はnチャネルとなります(反転層)。ソースドレイン間はn⁺nn⁺構造となり、電流が流れます。

下図はMOSFETの電流-電圧特性です。

ゲート電圧に応じてドレイン電流が増加していることが見て取れます。また、ドレイン電圧が大きいほどドレイン電流も増加しますが、あるドレイン電圧を境に電流値が飽和していることが特徴です。

MOSFETのI-V特性は以下の3つの領域に分けられます。

ドレイン電圧V_dを印加してもドレイン電流I_dが流れない領域。ゲート電圧V_gが小さく反転層が存在しないため、ドレイン電流は流れない。

ドレイン電圧V_dに比例してドレイン電流I_dが変化する領域。チャネルは抵抗素子のように振舞うことから、線形領域(直線領域)と呼ばれる。

ドレイン電圧V_dによらずドレイン電流I_dが一定となる領域。ドレイン電圧増加によるドレイン近傍の空乏層生成により、チャネルが消滅するために発生する。

ドレイン電圧によりチャネルが消滅することを「ピンチオフ」と呼び、ピンチオフが起こる電圧をピンチオフ電圧と呼びます。

飽和領域において、ドレイン電圧を増加してもドレイン電流が一定値となるのはピンチオフが起こるためです。以下で詳しく解説します。

ピンチオフ(pinch off)とは「ドレイン電圧の増加に伴い、ドレイン近傍のチャネルが消滅し、電流値が飽和する現象」です。ピンチオフが発生する電圧をピンチオフ電圧V_pと呼びます。

線形領域からピンチオフが発生し、飽和領域となるまでの原理を詳しく見ていきましょう。

1.線形領域：V_g>V_t

ゲート電圧V_gが閾値電圧V_tよりも高い場合、ゲート直下にチャネルが形成され、ドレイン電圧V_dに応じてドレイン電流I_dが流れます。

2.ピンチオフ：V_g>V_t, V_d = V_p

ドレイン電圧V_dが増加すると、ドレイン近傍のチャネルの電位が増加し、ドレイン近傍の空乏層が広がります。V_d=V_pとなるとドレイン近くのチャネルが消滅します。

3.飽和領域：V_g>V_t, V_d>V_p

ピンチオフ電圧以上では、ドレイン電圧の増加分はドレイン領域の増加に使われます。ドレインの空乏層厚は増大しますが、空乏層増加分よりもチャネル長が十分大きいため、飽和領域ではドレイン電流はほぼ一定になります。

注意していただきたいのは、ピンチオフは、単にドレイン領域近傍で反転層が形成される条件が満たされなくなったということにすぎません。ピンチオフが発生しチャネルが消失しても電流は遮断されず、流れ続けます。

ゲート電圧が閾値電圧よりも高ければ、ソース近傍で反転層が形成され、電子はソースから流入します。ピンチオフ点以降のドレイン側においてチャネルが消失していても、ドレイン側に大きな電界が存在するため、ソースから流入した電子はドレイン電極に向かって加速され通過します。

ピンチオフ以降では、ドレイン電圧が高くなってもドレイン側の空乏層厚が増大するだけで、ソース側の電子の流入に影響せず、飽和領域ではドレイン電流が一定となるのです。

MOSFETは4つの種類があります。